纳升级生化样品核磁共振微检测用高信噪比平面微线圈的设计

　　当前, 生物样品检测技术多种多样, 核磁共振( Nuclear Magnet ic Reso nance, 简称NMR) 微检测法作为一种新兴检测技术, 正越来越受到关注。NMR 波谱分析微检测技术有很多优点, 如在进行样品检测时可以将射频线圈置于被测样品表面、而不具有破坏性或侵入性, 实验方法多种多样, 线圈类型包括螺线管形、平面形微线圈以及相应线圈的阵列式等, 应用很灵活。与其它检测技术相比, NMR微检测技术可以在被测样品情况未知的情况下, 根据样品波谱的化学位移特征确定样品的组成元素及其分子结构信息。

　　NMR 波谱微检测技术的一个不足之处在于,接收到的自由感应衰减信号的信噪较低, 一方面是由于目前所采用的主静磁场不高, 另一方面, 主静磁场与射频脉冲磁场在大小和方向上的空间分布不均匀。主静磁场可以由永磁体提供, 或者由超导线圈产生, 目前永磁体可提供的磁场在零点几特斯拉至两特斯拉左右, 国外学者多是利用超导磁体技术进行NMR 波谱技术研究, 产生的静磁场范围可在6T至12T 之间。主静磁场空间分布不均匀会降低谱线分辨率, 可以采用磁导率匹配技术、或者是探针几何形状优化设计技术, 使被观察区域的主静磁场尽可能均匀。

　　本文论述在2T 主静磁场实验条件下, 基于信噪比利用MATLAB 软件对平面螺旋微线圈几何形状的设计, 线圈的尺度在几百微米量级, 相应被观察样品体积约为几十纳升。

　　1 平面微线圈核磁共振微检测基本原理

　　该检测技术是基于核磁共振波谱学原理, 利用核磁共振现象及其化学位移作用来研究化合物的存在或分子结构。检测探头主要由射频收/ 发线圈、衬底以及微流道三部分组成, 如图1 所示。

　　式中, Tc 为线圈温度, Rc 为线圈射频电阻, △f 为线圈检测带宽。由式( 2) 和式( 3) , 信噪比( Signa-l to-NoiseRat io, SNR) 表达式可以简化为

　　2 平面螺旋微线圈几何参数设计与仿真

　　对于自由感应衰减信号, 能否有足够的信噪比是始终困扰NMR 波谱技术的一个关键问题。当被测样品浓度较低或者样品含量较少时, 信噪比经常成为检测时的限制性因素。同时, 电感量以及品质因数也是衡量线圈电磁特性的重要指标。因此, 需要通过对信噪比进行仿真, 找到最优的线圈几何参数。

　　2. 1 几何参数分析

　　计算Seff 时, 因为线圈尺度在几十微米数量级、并工作于几十至数百兆赫频率范围, 所以设计导线宽度与高度时必须考虑导体的集肤效应。设w eff 和heff 分别为射频条件下导线的有效宽度和高度, 则S eff 可以由下式计算